%% main.tex --- файл-обертка для диплома

\documentclass[russian,utf8,simple,floatsection]{eskdtext} 

\include{defs}  % вставляем содержимое служебных инструкций из defs.tex

\ESKDcolumnII{Анализ состояния вопроса}
\setcounter{section}{0}
\newcommand{\symb}{*}
\begin{document}

\section{Анализ состояния вопроса.}
\subsection{Описание предметной области}
20-е столетие характеризуется интенсивным ростом населения Земли,
развитием урбанизации. Появились города-гиганты с населением более
10-ти млн. человек. Развитие промышленности, транспорта, энергетики,
индустриализация сельского хозяйства привели к тому, что антропогенное
воздействие на окружающую среду приняло глобальный характер.

Повышение эффективности мер по охране окружающей среды связано прежде
всего с широким внедрением ресурсосберегающих, малоотходных и
безотходных технологических процессов, уменьшением загрязнения
воздушной среды и водоемов. Охрана окружающей среды представляет собой
весьма многогранную проблему, решением которой занимаются, в
частности, инженерно-технические работники практически всех
специальностей, которые связаны с хозяйственной деятельностью в
населенных пунктах и на промышленных предприятиях, которые могут
являться источником загрязнения в основном воздушной и водной среды. 

Пресные водные ресурсы существуют благодаря вечному круговороту
воды. В результате испарения образуется гигантский объем воды,
достигающий 525 тыс. км в год.

86\% этого количества приходится на соленые воды Мирового океана и
внутренних морей -- Каспийского. Аральского и др.; остальное
испаряется на суше, причем половина благодаря транспирации влаги
растениями. Каждый год испаряется слой воды толщиной примерно 1250
мм. Часть ее вновь выпадает с осадками в океан, а часть переносится
ветрами на сушу и здесь питает реки и озера, ледники и подземные
воды. Природный дистиллятор питается энергией Солнца и отбирает
примерно 20\% этой энергии.

Всего 2\% гидросферы приходится на пресные воды, но они постоянно
возобновляются. Скорость возобновления и определяет доступные
человечеству ресурсы. Большая часть пресных вод -- 85\% --
сосредоточена во льдах полярных зон и ледников. Скорость водообмена
здесь меньше, чем в океане, и составляет 8000 лет. Поверхностные воды
суши обновляются примерно в 500 раз быстрее, чем в океане. Еще
быстрее, примерно за 10--12 суток, обновляются воды рек. Наибольшее
практическое значение для человечества имеют пресные воды рек.


Реки всегда были источником пресной воды. Но в современную эпоху они
стали транспортировать отходы. Отходы на водосборной территории по
руслам рек стекают в моря и океаны. Большая часть использованной
речной воды возвращается в реки и водоемы в виде сточных вод. До сих
пор рост очистных сооружений отставал от роста потребления воды. И на
первый взгляд в этом заключается корень зла. На самом деле все обстоит
гораздо серьезнее. Даже при самой совершенной очистке, включая
биологическую, все растворенные неорганические вещества и до 10\%
органических загрязняющих веществ остаются в очищенных сточных
водах. Такая вода вновь может стать пригодной для потребления только
после многократного разбавления чистой природной водой. И здесь для
человека важно соотношение абсолютного количества сточных вод, хотя бы
и очищенных, и водного стока рек.

Мировой водохозяйственный баланс показал, что на все виды
водопользования тратится 2200 км воды в год. На разбавление стоков
уходит почти 20\% ресурсов пресных вод мира. Расчеты на 2010 г. в
предположении, что нормы водопотребления уменьшатся, а очистка охватит
все сточные воды, показали, что все равно ежегодно потребуется 30 --35
тыс. $\text{км}^3$ пресной воды на разбавление сточных вод. Это означает, что
ресурсы полного мирового речного стока будут близки к исчерпанию, а во
многих районах мира они уже исчерпаны. Ведь 1 $\text{км}^3$ очищенной сточной
воды "портит" 10 $\text{км}^3$ речной воды, а не очищенной -- в 3--5 раз
больше. Количество пресной воды не уменьшается, но ее качество резко
падает, она становится не пригодной для потребления.

Человечеству придется изменить стратегию
водопользования. Необходимость заставляет изолировать антропогенный
водный цикл от природного. Практически это означает переход на
замкнутое водоснабжение, на маловодную или малоотходную, а затем на
"сухую" или безотходную технологию, сопровождающуюся резким
уменьшением объемов потребления воды и очищенных сточных вод.

Запасы пресной воды потенциально велики. Однако в любом районе мира
они могут истощиться из-за нерационального водопользования или
загрязнения. Число таких мест растет, охватывая целые географические
районы. Потребность в воде не удовлетворяется у 20\% городского и 75\%
сельского населения мира. Объем потребляемой воды зависят от региона и
уровня жизни и составляет от 3 до 700 л в сутки на одного
человека. Потребление воды промышленностью также зависит от
экономического развития данного района. Например, в Канаде
промышленность потребляет 84\% всего водозабора, а в Индии --
1\%. Наиболее водоемкие отрасли промышленности -- сталелитейная,
химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них
уходит почти 70\% всей воды, затрачиваемой в промышленности. В среднем
в мире на промышленность уходит примерно 20\% всей потребляемой
воды. Главный же потребитель пресной воды -- сельское хозяйство: на
его нужды уходит 70--80\% всей пресной воды. Орошаемое земледелие
занимает лишь 15--17\% площади сельскохозяйственных угодий, а дает
половину всей продукции. Почти 70\% посевов хлопчатника в мире
существует благодаря орошению. 

Пресные водоемы загрязняются в основном в результате спуска в них
сточных вод от промышленных предприятий и населенных пунктов. В
результате сброса сточных вод изменяются физические свойства воды
(повышается температура, уменьшается прозрачность, появляются окраска,
привкусы, запахи); на поверхности водоема появляются плавающие
вещества, а на дне образуется осадок; изменяется химический состав
воды (увеличивается содержание органических и неорганических веществ,
появляются токсичные вещества, уменьшается содержание кислорода,
изменяется активная реакция среды и др.); изменяется качественный и
количественный бактериальный состав, появляются болезнетворные
бактерии. Загрязненные водоемы становятся непригодными для питьевого,
а часто и для технического водоснабжения; теряют рыбохозяйственное
значение и т. д. Общие условия выпуска сточных вод любой категории в
поверхностные водоемы определяются народнохозяйственной их значимостью
и характером водопользования. После выпуска сточных вод допускается
некоторое ухудшение качества воды в водоемах, однако это не должно
заметно отражаться на его жизни и на возможности дальнейшего
использования водоема в качестве источника водоснабжения, для
культурных и спортивных мероприятий, рыбохозяйственных целей.

Наблюдение за выполнением условий спуска производственных сточных вод
в водоемы осуществляется санитарно-эпидемиологическими станциями и
бассейновыми управлениями.

Нормативы качества воды водоемов хозяйственно-питьевого
культурно-бытового водопользования устанавливают качество воды для
водоемов по двум видам водопользования: к первому виду относятся
участки водоемов, используемые в качестве источника для
централизованного или не централизованного хозяйственно-питьевого
водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой
промышленности; ко второму виду-участки водоемов, используемые для
купания, спорта и отдыха населения, а также находящиеся в черте
населенных пунктов.

Отнесение водоемов к тому или иному виду водопользования проводится
органами Государственного санитарного надзора с учетом перспектив
использования водоемов.

Приведенные в правилах нормативы качества воды водоемов относятся к
створам, расположенным на проточных водоемах на 1 км выше ближайшего
по течению пункта водопользования, а на непроточных водоемах и
водохранилищах на 1км в обе стороны от пункта водопользования.

Большое внимание уделяется вопросам предупреждения и устранения
загрязнений прибрежных районов морей. Нормативы качества морской воды,
которые должны быть обеспечены при спуске сточных вод, относятся к
району водопользования в отведенных границах и к створам на расстоянии
300 м в стороны от этих границ. При использовании прибрежных районов
морей в качестве приемника производственных сточных вод содержание
вредных веществ в море не должно превышать ПДК, установленные по
санитарно-токсикологическому, общесанитарном и органолептическому
лимитирующим показателям вредности. При этом требования к спуску
сточных вод дифференцированы применительно к характеру
водопользования. Море рассматривается не как источник водоснабжения, а
как лечебный оздоровительный, культурно--бытовой фактор.

Поступающие в реки, озера, водохранилища и моря загрязняющие вещества
вносят значительные изменения в установившийся режим и нарушают
равновесное состояние водных экологических систем. В результате
процессов превращения загрязняющих водоемы веществ, протекающих под
воздействием природных факторов, в водных источниках происходит полное
или частичное восстановление их первоначальных свойств. При этом могут
образовываться вторичные продукты распада загрязнений, оказывающих
отрицательное влияние на качество воды.

Самоочищение воды водоемов - это совокупность взаимосвязанных
гидродинамических, физико-химических, микробиологических и
гидробиологических процессов, ведущих к восстановлению первоначального
состояния водного объекта.

В связи с тем, что в сточных водах промышленных предприятий могут
содержаться специфические загрязнения, их спуск в городскую
водоотводящую сеть ограничен рядом требований. Выпускаемые в
водоотводящую сеть производственные сточные воды не должны: нарушать
работу сетей и сооружений; оказывать разрушающего воздействия на
материал труб и элементы очистных сооружений; содержать более 500мг/л
взвешенных и всплывающих веществ; содержать вещества, способные
засорять сети или отлагаться на стенках труб; содержать горючие
примеси и растворенные газообразные вещества, способные образовывать
взрывоопасные смеси; содержать вредные вещества, препятствующие
биологической очистке сточных вод или сбросу в водоем; иметь
температуру выше 40 С.

Производственные сточные воды не удовлетворяющие этим требованиям,
должны предварительно очищаться и лишь после этого сбрасываться в
городскую водоотводящую сеть.

Нужна устойчивая практика управления водными ресурсами, однако мы еще
недостаточно быстрыми темпами движемся в правильном
направлении. Китайская пословица гласит "Если мы не изменим курс, то
можем прийти туда, куда направляемся". Если не изменить направление
движения, многие районы будут по-прежнему испытывать нехватку воды,
многие люди будут по-прежнему страдать, будут продолжаться конфликты
из-за воды и новые площади ценных, сильно увлажненных земель будут
уничтожены.

Несмотря на то, что кризис с пресной водой кажется неизбежным во
многих районах, где сейчас наблюдается ее нехватка, в других районах
эту проблему еще можно решить, если соответствующие политика и
стратегии будут сформулированы, согласованы и реализованы в самое
ближайшее время. Международное сообщество уделяет повышенное внимание
мировым проблемам, связанным с водой, и целый ряд организаций
предоставляют финансовые средства и помогают управлять предложением и
спросом на водные ресурсы. Возникает все больше механизмов, которые
обеспечивают более справедливое распределение этих ресурсов. Страны,
расположенные в районах с традиционной нехваткой воды, вводят более
совершенные тарифные механизмы, развивают общественные системы
управления водными ресурсами и переходят к режимам управления
водосборными и речными бассейнами. Между тем, число и масштаб таких
проектов должны быть существенным образом увеличены.

Хранение очищенной воды, в том числе и временное, является достаточно
сложной проблемой. Практически любой материал при контакте с водой
выделяет различные вещества, как неорганические, так и
органические. Обычное силикатное стекло, даже высококачественное,
заметно выщелачивается водой, загрязняя таким образом ее ионами
щелочных и щелочноземельных металлов, а также кремниевой
кислотой. Металлические емкости также мало пригодны для хранения воды
вследствие постоянного выделения в воду ионов металлов. Полимерные
композиции тоже не являются совершенно инертными по отношению к воде,
загрязняя ее органическими соединениями.

Кроме материала емкости, в которой хранится вода, большое влияние на
качество воды оказывают загрязнители из воздуха (взвешенные частицы,
микроорганизмы и пары химических веществ). Скорость загрязнения воды
из воздуха в значительной степени определяет качество хранимой воды,
причем на практике наибольшее значение имеет образование биопленок на
стенках резервуара, которые возникают благодаря жизнедеятельности
микроорганизмов. Образование биопленок в большой степени зависит от
того, насколько гладкие поверхности внутренних стенок резервуара, что,
в свою очередь, определяется технологией производства.

Для того, чтобы качество воды в процессе хранения, даже
кратковременного, не падало достаточно заметно, необходимы тщательный
выбор материала емкости и технологии изготовления, правильная
конструкция самой емкости и наличие дополнительных приспособлений для
защиты и профилактики воды от загрязнения.

Пресная вода - второй фундаментальный ресурс, на ограниченность
которого наталкивается стремительный рост населения. Сейчас в мире
используется примерно 55\% наличного годового запаса пресной воды,
причем 70\% мировых ресурсов подземных и речных вод используется на
орошение, 20\% - на нужды промышленности и 10\% на бытовые нужды. Если
нынешний душевой уровень водопотребления сохранится, использование
мировых запасов пресной воды только за счет роста населения может
повыситься до 70\%, а если душевое потребление воды будет
увеличиваться, использование годового запаса пресной воды будет
постепенно приближаться к физическому пределу. "Многие страны уже
сейчас испытываю недостаток пресной воды, социальные последствия
нарастания этого дефицита трудно даже вообразить. Растущий дефицит
пресной воды, возможно, самая недооцениваемая сегодня ресурсная
проблема".

В результате еще больше обостряется сильнейшая нехватка воды для
сельскохозяйственных нужд. Чтобы ответить на растущие потребности в
продовольствии, к 2025 г. долю мирового урожая, питаемого водой с
помощью орошения, по сравнению с атмосферной, надо поднять с 28 до
46\%. В 2050 году, чтобы удовлетворить потребности в воде для
производства урожая, понадобится количество воды, равное 24 годовым
стокам Нила - втрое больше, чем сейчас. Между тем, уже сейчас в мире
имеется дефицит пресной воды, равный примерно двум годовым стокам
Нила. В середине 90-х годов он составлял, по оценкам, более 160
млн. кубических километров воды в год, в том числе более 100 в Китае,
30 - в Индии, около 14 в США, 10 - в Северной Африке. Вследствие
роста населения в 2050 году на каждого жителя планеты будет приходится
лишь четверть того количества пресной воды, обеспечиваемой
гидрологическим циклом, которое имелось в 1950, а спрос на воду
растет быстрее, чем население.

Растущее использование воды на промышленные и бытовые нужды еще больше
ограничивает возможности орошения и вынуждает страны с быстро растущим
население импортировать зерно. В конце 90-х годов 34 страны с
"напряженным водным балансом" в Африке, Азии и на Ближнем Востоке
имели меньше 1700 кубических метров воды на жителя в год и ежегодно
импортировали около четверти всего продаваемого на мировом рынке зерна
- примерно 50 млн. т.

В целом, по оценкам Международного Института водного хозяйства, уже в
2025 году миллиард человек будут жить в странах с абсолютным дефицитом
воды. Даже при более высокой эффективности ирригации они не смогут
поддерживать душевое производство продовольствия на орошаемых землях
на уровне 1990 года и обеспечивать водой промышленные, бытовые и
экологические нужды. Им придется импортировать продовольствие, если
это вообще будет возможно. А к 2050 году число людей, испытывающих
нехватку воды, будет намного большим

На практике постоянно возникают задачи анализа и
интерпретации данных. Необходимо сравнивать новые данные с
опубликованными и оценивать влияние измеренных параметров, чтобы
понять в каком направлении двигаться дальше. И все это нужно делать
быстро, без многодневного погружения в книги и специальные программы
по статистической обработке данных.

Для экспериментатора может быть интересно понять, не может ли данное
распределение быть описано некоторой аналитической формулой. Иначе
говоря, определить природу процесса: с какой вероятностью можно
ожидать определенного расхода воды в какой месяц года в зависимости от
температуры, влажности, атмосферного давления и других факторов.

\subsection{Анализ аналогов и прототипов}
Программа "Аппроксимация" позволит получить уравнение связи выходных
величин процесса от входных с учетом различных значений весовых
коэффициентов. В программе реализовано нахождение коэффициентов
следующих аппроксимирующих функций: 

\begin{itemize}
\item  полиномиальная, со степенью до 7 (включительно);
\item показательная;
\item 1-я дробно-рациональная;
\item логарифмическая;
\item степенная;
\item гиперболическая;
\item 2-я дробно-рациональная. 
\end{itemize}


ME.com, модуль APX, вер.2. Программа выполняет аппроксимацию
экспериментальных данных на платформе Microsoft Excel. Добавлена
возможность аппроксимации пользовательской функцией.

Программа оцифровки, обработки и графического представления данных
FindGraph. Часто для поиска математической
модели интерпретации данных подходит метод исследования "что будет
если" FindGraph даст вам возможность оцифровать точки непосредственно
с опубликованного графика, при помощи встроенного графического
редактора добавить или исправить данные, построить линию регрессии или
нелинейную аппроксимацию, или найти лучшую математическую модель. И
все это за несколько минут. Программа включает более 200 нелинейных
уравнений аппроксимации. FindGraph применяется для решения различных
задач в спектрометрии, геофизике, биофизике, фармакологии,
стоматологии, экономики и многих других отраслях.

CurveFitter -- это программа предоставляющая статистический регрессионный
анализ для подсчета примерных параметров линейных, многомерных,
многочленных, показательных и нелинейных функций. Регрессивный анализ
определяет значение параметров, что позволяет функции лучше подходить
данным наблюдений, которые вы предоставляете. Этот процесс также
называется аппроксимация кривой.

Возможности:
\begin{itemize}
\item Любое уравнение до 9 параметров и 8 неизвестных;
\item Линейные уравнения;
\item Нелинейные показательные, логарифмические и силовые уравнения;
\item 38-символьный точный математический эмулятор, выполняющий
  подходящую подгонку высокоуровневых многочленов и рациональных
  чисел;
\item Графический обзор результатов.
\end{itemize}

Curvefitter автоматически сортирует
и выстраивает подогнанные уравнения по статистическому критерию
Стандартизации Ошибок. Как только готовы конечные параметры,
генерируется остаточный график для выбранных уравнений.

Curvefitter предоставляет все преимущества пользовательского
интерфейса Windows для упрощения каждой операции – от импорта
данных до выдачи результатов. Импорт данных из большинства
популярных форматов файлов включая Excel, Lotus и ASCII. Как только
ваши данные поместятся в редактор, создайте уравнение, установите и
начните автоматический процесс подгонки. Curvefitter - это высоко
интуитивный, удобный в использовании и простой в изучении программный
продукт.

\subsection{Перечень задач, подлежащих решению в процессе разработки}
Программный комплекс должен обладать следующими возможностями:
\begin{enumerate}
\item Ввод правил;
\item Ввод функций принадлежности;
\item Ввод параметров генетических алгоритмов;
\item Построение графиков;
\item Вывод отчетов;
\end{enumerate}

\subsection{Постановка задачи}
\subsubsection{Назначение и область применения}

Программа предназначена для решения задачи прогноза воды в
определенный момент времени на основании известных данных за
предыдущие периоды с
помощью базы нечетких правил, настраиваемых генетическим алгоритмом.
Для экспериментатора может быть интересно понять, не может ли данное
распределение быть описано некоторой аналитической формулой. Иначе
говоря, определить природу процесса.

\subsection{Требования к программе и программному изделию}
\subsubsection{Требования к функциональным характеристикам}
\begin{itemize}
\item Ввод правил, по которым будет строится проноз;
\item Ввод функций принадлежности;
\item Ввод параметров генетических алгоритмов;
\item Построение графиков;
\item Построение гистограммы - график, на котором показаны отклонения в
  аппроксимации по каждому из прогнозов;
\item Вывод отчетов в формате html;
\item Вывод отчетов в формате pdf;
\item Ввод и хранение данных эксперимента;
\item Хранение результатов прогнозов.
\end{itemize}

\subsubsection{Требования к составу и параметрам технических средств}
ПО должно функционировать на IBM совместимых персональных компьютерах
имеющих следующую конфигурацию:
\begin{itemize}
\item Процессор Pentium 3 - 1.3 Ghz;
\item ОЗУ 512 MB;
\item Видео: поддержка разрешение 1024x768;
\item Монитор совместимый с данной видео картой;
\item Клавиатура;
\item Мышь;
\end{itemize}

\subsubsection{Требования к информационной и программной совместимости}

ПО должно работать под управлением ОС семейства Windows
(2000/XP/Vista/Windows 7)

\subsubsection{Требования к программной документации}
\begin{itemize}
\item Разрабатываемые программные модули должны быть;
  самодокументированы, тексты программ должны содержать все
  необходимые комментарии;
\item Программная система должна включать справочную информацию о
  работе и подсказки пользователю;
\item В состав сопровождающей документации должно входить руководство
  пользователя.
\end{itemize}

\end{document}
